Standardní nádrže s plochou plošinou pro elektromobily (BEV) a FCEV používají termoplastické a termosetové kompozity se skeletovou konstrukcí, která poskytuje o 25 % více úložného prostoru H2. #vodík #trendy
Poté, co spolupráce s BMW ukázala, že krychlová nádrž může dosáhnout vyšší objemové účinnosti než několik malých válců, zahájila Technická univerzita v Mnichově projekt vývoje kompozitní struktury a škálovatelného výrobního procesu pro sériovou výrobu. Zdroj obrázku: TU Dresden (vlevo nahoře), Technická univerzita v Mnichově, Katedra uhlíkových kompozitů (LCC)
Elektrická vozidla s palivovými články (FCEV) poháněná vodíkem s nulovými emisemi (H2) poskytují další prostředky k dosažení nulových environmentálních cílů. Osobní automobil s palivovými články a motorem H2 lze natankovat za 5–7 minut a má dojezd 500 km, ale v současné době je dražší kvůli nízkým objemům výroby. Jedním ze způsobů, jak snížit náklady, je použití standardní platformy pro modely BEV a FCEV. To v současné době není možné, protože válcové nádrže typu 4 používané k ukládání stlačeného plynu H2 (CGH2) při tlaku 700 barů ve vozidlech FCEV nejsou vhodné pro spodní bateriové prostory, které byly pečlivě navrženy pro elektrická vozidla. Do tohoto plochého prostoru se však vejdou tlakové nádoby ve tvaru polštářů a krychlí.
Patent US5577630A na „kompozitní konformní tlakovou nádobu“, přihláška podaná společností Thiokol Corp. v roce 1995 (vlevo) a obdélníková tlaková nádoba patentovaná společností BMW v roce 2009 (vpravo).
Katedra uhlíkových kompozitů (LCC) Technické univerzity v Mnichově (TUM, Mnichov, Německo) se podílí na dvou projektech zaměřených na rozvoj tohoto konceptu. Prvním je Polymers4Hydrogen (P4H), vedený Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Rakousko). Pracovní balíček LCC vede členka Elizabeth Glace.
Druhým projektem je Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), kde LCC vede výzkumník Christian Jaeger. Oba si kladou za cíl vytvořit rozsáhlou demonstraci výrobního procesu pro výrobu vhodné nádrže CGH2 s použitím kompozitů z uhlíkových vláken.
Objemová účinnost je omezená, pokud jsou v plochých bateriových článcích (vlevo) a krychlových tlakových nádobách typu 2 vyrobených z ocelových vložek a vnějšího pláště z kompozitu z uhlíkových vláken/epoxidu (vpravo). Zdroj obrázku: Obrázky 3 a 6 pocházejí z publikace „Numerický návrhový přístup pro tlakovou nádobu typu II s vnitřními napínacími nohami“ od Rufa a Zaremby a kol.
Společnost P4H vyrobila experimentální krychlovou nádrž, která využívá termoplastický rám s kompozitními napínacími pásy/vzpěrami obalenými epoxidovou vrstvou vyztuženou uhlíkovými vlákny. Společnost HyDDen použije podobnou konstrukci, ale pro výrobu všech termoplastických kompozitních nádrží bude používat automatické vrstvení vláken (AFP).
Od patentové přihlášky společnosti Thiokol Corp. na „Kompozitní konformní tlakovou nádobu“ z roku 1995 až po německý patent DE19749950C2 z roku 1997, nádoby na stlačený plyn „mohou mít jakoukoli geometrickou konfiguraci“, zejména však ploché a nepravidelné tvary, v dutině spojené s nosnou plášťovou konstrukcí. Používají se prvky, které odolávají síle roztažnosti plynu.
Článek Národní laboratoře Lawrence Livermore (LLNL) z roku 2006 popisuje tři přístupy: konformní tlakovou nádobu s navinutými vlákny, mikromřížkovou tlakovou nádobu obsahující vnitřní ortorombickou mřížkovou strukturu (malé buňky o velikosti 2 cm nebo méně), obklopenou tenkostěnnou nádobou s H2, a replikační nádobu, sestávající z vnitřní struktury sestávající z lepených malých částí (např. šestihranných plastových kroužků) a kompozice tenkého vnějšího pláště. Duplicitní nádoby jsou nejvhodnější pro větší nádoby, kde může být obtížné aplikovat tradiční metody.
Patent DE102009057170A podaný společností Volkswagen v roce 2009 popisuje tlakovou nádobu montovanou na vozidlo, která poskytuje vysokou hmotnostní účinnost a zároveň zlepšuje využití prostoru. Obdélníkové nádrže používají tahové konektory mezi dvěma obdélníkovými protilehlými stěnami a rohy jsou zaoblené.
Výše uvedené a další koncepty cituje Gleiss v článku „Vývoj procesů pro kubické tlakové nádoby s napínacími tyčemi“ od Gleiss a kol. na ECCM20 (26.–30. června 2022, Lausanne, Švýcarsko). V tomto článku cituje studii TUM publikovanou Michaelem Roofem a Svenem Zarembou, která zjistila, že kubická tlaková nádoba s napínacími vzpěrami spojujícími obdélníkové strany je účinnější než několik malých válců, které se vejdou do prostoru ploché baterie, a poskytují přibližně o 25 % více úložného prostoru.
Podle Gleisse je problém s instalací velkého počtu malých lahví typu 4 v plochém pouzdře ten, že „objem mezi lahvemi je výrazně snížen a systém má také velmi velký permeační povrch pro plyn H2. Celkově systém poskytuje menší skladovací kapacitu než krychlové sklenice.“
S kubickou konstrukcí nádrže jsou však spojeny i další problémy. „Je zřejmé, že kvůli stlačenému plynu je nutné působit proti ohybovým silám působícím na ploché stěny,“ řekl Gleiss. „K tomu je potřeba vyztužená konstrukce, která se vnitřně spojuje se stěnami nádrže. To je ale s kompozity obtížné.“
Glace a její tým se pokusili začlenit do tlakové nádoby výztužné napínací tyče způsobem, který by byl vhodný pro proces navíjení vláken. „To je důležité pro velkoobjemovou výrobu,“ vysvětluje, „a také nám to umožňuje navrhnout vzor navíjení stěn nádoby tak, abychom optimalizovali orientaci vláken pro každé zatížení v zóně.“
Čtyři kroky k výrobě zkušební krychlové kompozitní nádrže pro projekt P4H. Zdroj obrázku: „Vývoj výrobního procesu pro krychlové tlakové nádoby s výztuhou“, Technická univerzita v Mnichově, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, červen 2022.
Aby se dosáhlo řetězení, tým vyvinul nový koncept sestávající ze čtyř hlavních schodů, jak je znázorněno výše. Napínací vzpěry, zobrazené černě na schodech, jsou prefabrikovanou rámovou konstrukcí vyrobenou pomocí metod převzatých z projektu MAI Skelett. Pro tento projekt vyvinula společnost BMW „rám“ rámu čelního skla s použitím čtyř vlákny vyztužených pultruzních tyčí, které byly následně vylisovány do plastového rámu.
Rám experimentální kubické nádrže. Šestiúhelníkové kostrové profily vytištěné 3D tiskárnou TUM s použitím nevyztuženého PLA filamentu (nahoře), vložením pultruzních tyčí CF/PA6 jako napínacích výztuh (uprostřed) a následným omotaním vlákna kolem výztuh (dole). Zdroj obrázku: Technická univerzita v Mnichově LCC.
„Myšlenka je, že rám krychlové nádrže lze postavit jako modulární konstrukci,“ řekl Glace. „Tyto moduly se poté umístí do formovacího nástroje, do rámových modulů se umístí napínací vzpěry a poté se kolem vzpěr použije metoda MAI Skelett k jejich integraci s částmi rámu.“ Jedná se o metodu hromadné výroby, jejímž výsledkem je konstrukce, která se poté použije jako trn nebo jádro k obalení kompozitního pláště skladovací nádrže.
Společnost TUM navrhla rám nádrže jako kubický „polštář“ s plnými boky, zaoblenými rohy a šestiúhelníkovým vzorem nahoře a dole, kterým lze zasunout a připevnit úchyty. Otvory pro tyto stojany byly také vytištěny na 3D tiskárně. „Pro naši první experimentální nádrž jsme vytiskli šestiúhelníkové rámové části pomocí kyseliny polymléčné [PLA, biotermoplast], protože to bylo snadné a levné,“ řekl Glace.
Tým zakoupil od společnosti SGL Carbon (Meitingen, Německo) 68 lisovaných polyamidových tyčí 6 (PA6) vyztužených uhlíkovými vlákny, které použil jako úchyty. „Abychom koncept otestovali, nedělali jsme žádné lisování,“ říká Gleiss, „ale jednoduše jsme vložili distanční vložky do 3D tištěného rámu s voštinovým jádrem a slepili je epoxidovým lepidlem. Tím se získá trn pro navíjení nádrže.“ Poznamenává, že ačkoli se tyto tyče navíjejí relativně snadno, existují určité významné problémy, které budou popsány později.
„V první fázi bylo naším cílem demonstrovat vyrobitelnost konstrukce a identifikovat problémy ve výrobním konceptu,“ vysvětlil Gleiss. „Tahové vzpěry tedy vyčnívají z vnějšího povrchu kostrové konstrukce a k tomuto jádru připevňujeme uhlíková vlákna pomocí mokrého navíjení vláken. Poté, ve třetím kroku, ohýbáme hlavu každé táhly. termoplast, takže pouze pomocí tepla přetvoříme hlavu tak, aby se zploštila a zajistila v první vrstvě obalu. Poté přistoupíme k opětovnému obalení konstrukce tak, aby plochá opěrná hlava byla geometricky uzavřena v nádrži. laminát na stěnách.“
Distanční krytka pro navíjení. TUM používá plastové krytky na koncích napínacích tyčí, aby se zabránilo zamotávání vláken během navíjení filamentu. Zdroj obrázku: Technická univerzita v Mnichově LCC.
Glace zopakoval, že tato první nádrž byla důkazem konceptu. „Použití 3D tisku a lepidla bylo pouze pro počáteční testování a dalo nám představu o některých problémech, se kterými jsme se setkali. Například během navíjení se vlákna zachytávala o konce napínacích tyčí, což způsobovalo přetržení vláken, poškození vláken a snižování množství vláken, abychom tomu zabránili. Použili jsme několik plastových krytek jako pomůcky při výrobě, které byly umístěny na tyče před prvním krokem navíjení. Poté, když byly vyrobeny vnitřní lamináty, jsme tyto ochranné krytky odstranili a před finálním balením jsme konce tyčí přetvořili.“
Tým experimentoval s různými scénáři rekonstrukce. „Ti, kteří se rozhlížejí kolem sebe, fungují nejlépe,“ říká Grace. „Také jsme během fáze prototypování použili upravený svářecí nástroj k aplikaci tepla a úpravě tvaru konců táhel řízení. V konceptu hromadné výroby byste měli jeden větší nástroj, který dokáže tvarovat a vytvarovat všechny konce vzpěr do laminátu s vnitřní povrchovou úpravou současně.“
Přepracované hlavy ojí. TUM experimentovala s různými koncepty a upravila svary tak, aby zarovnala konce kompozitních táhel pro připevnění k laminátu stěny nádrže. Zdroj obrázku: „Vývoj výrobního procesu pro krychlové tlakové nádoby s výztuhou“, Technická univerzita v Mnichově, projekt Polymers4Hydrogen, ECCM20, červen 2022.
Laminát se tedy po prvním kroku navíjení vytvrdí, sloupky se přetvoří, TUM dokončí druhé navíjení vláken a poté se laminát vnější stěny nádrže vytvrdí podruhé. Upozorňujeme, že se jedná o konstrukci nádrže typu 5, což znamená, že nemá plastovou vložku jako plynovou bariéru. Viz diskuse v části Další kroky níže.
„První demo jsme rozstříhali na průřezy a zmapovali propojenou oblast,“ řekl Glace. „Detailní záběr ukazuje, že jsme měli určité problémy s kvalitou laminátu, protože hlavy vzpěr neležely na vnitřním laminátu rovně.“
Řešení problémů s mezerami mezi laminátem vnitřní a vnější stěny nádrže. Upravená hlava táhla vytváří mezeru mezi prvním a druhým závitem experimentální nádrže. Zdroj obrázku: Technická univerzita v Mnichově LCC.
Tato původní nádrž o rozměrech 450 x 290 x 80 mm byla dokončena loni v létě. „Od té doby jsme udělali velký pokrok, ale mezi vnitřním a vnějším laminátem stále existuje mezera,“ řekl Glace. „Pokusili jsme se tedy tyto mezery vyplnit čistou pryskyřicí s vysokou viskozitou. To ve skutečnosti zlepšuje spojení mezi nosníky a laminátem, což výrazně zvyšuje mechanické namáhání.“
Tým pokračoval ve vývoji návrhu a procesu nádrže, včetně řešení pro požadovaný vzor navíjení. „Boky testovací nádrže nebyly zcela zvlněné, protože pro tuto geometrii bylo obtížné vytvořit dráhu navíjení,“ vysvětlil Glace. „Náš počáteční úhel navíjení byl 75°, ale věděli jsme, že k vyřešení zatížení v této tlakové nádobě je potřeba více obvodů. Stále hledáme řešení tohoto problému, ale se softwarem, který je v současné době na trhu, to není snadné. Možná se z toho stane navazující projekt.“
„Prokázali jsme proveditelnost tohoto výrobního konceptu,“ říká Gleiss, „ale musíme dále pracovat na zlepšení spojení mezi laminátem a úpravě tvaru spojovací tyče. Externí testování na zkušebním stroji. Vytáhnete distanční podložky z laminátu a otestujete mechanické zatížení, kterému tyto spoje odolávají.“
Tato část projektu Polymers4Hydrogen bude dokončena koncem roku 2023, do té doby Gleis doufá, že dokončí i druhou demonstrační nádrž. Zajímavé je, že dnešní návrhy používají v rámu čisté vyztužené termoplasty a ve stěnách nádrže termosetové kompozity. Bude tento hybridní přístup použit i v finální demonstrační nádrži? „Ano,“ řekla Grace. „Naši partneři v projektu Polymers4Hydrogen vyvíjejí epoxidové pryskyřice a další kompozitní matricové materiály s lepšími vlastnostmi vodíkové bariéry.“ Uvádí dva partnery, kteří na této práci pracují, PCCL a Univerzitu v Tampere (Tampere, Finsko).
Gleiss a její tým si také vyměnili informace a prodiskutovali nápady s Jaegerem ohledně druhého projektu HyDDen z konformní kompozitní nádrže LCC.
„Budeme vyrábět konformní kompozitní tlakovou nádobu pro výzkumné drony,“ říká Jaeger. „Jedná se o spolupráci mezi dvěma odděleními, Leteckým a geodetickým oddělením TUM – LCC a Katedrou vrtulníkové technologie (HT). Projekt bude dokončen do konce roku 2024 a v současné době dokončujeme tlakovou nádobu, což je návrh, který je spíše leteckým a automobilovým přístupem. Po této počáteční koncepční fázi je dalším krokem provedení detailního strukturálního modelování a predikce bariérového chování stěnové konstrukce.“
„Celá myšlenka spočívá ve vývoji průzkumného dronu s hybridním pohonným systémem z palivových článků a baterií,“ pokračoval. Bude používat baterii během vysokého zatížení (tj. vzletu a přistání) a poté se přepne na palivový článek během letu s nízkým zatížením. „Tým HT již měl výzkumný dron a přepracoval pohonnou jednotku tak, aby používal jak baterie, tak palivové články,“ řekl Yeager. „Zakoupili také nádrž CGH2 pro testování tohoto převodu.“
„Můj tým měl za úkol postavit prototyp tlakové nádrže, která by se do něj vešla, ale ne kvůli problémům s balením, které by válcová nádrž způsobovala,“ vysvětluje. „Plošší nádrž nenabízí tolik odporu vzduchu. Takže získáte lepší letové vlastnosti.“ Rozměry nádrže cca 830 x 350 x 173 mm.
Plně termoplastická nádrž kompatibilní s AFP. Pro projekt HyDDen tým LCC na TUM zpočátku zkoumal podobný přístup, jaký použil Glace (nahoře), ale poté přešel k přístupu využívajícímu kombinaci několika strukturálních modulů, které byly následně nadužívány při použití AFP (níže). Zdroj obrázku: Technická univerzita v Mnichově LCC.
„Jeden nápad je podobný přístupu Elisabeth [Gleissové],“ říká Yager, „aplikovat na stěnu nádoby tahové výztuhy, aby se kompenzovaly vysoké ohybové síly. Místo použití procesu navíjení k výrobě nádrže však používáme AFP. Proto jsme uvažovali o vytvoření samostatné části tlakové nádoby, ve které jsou stojany již integrovány. Tento přístup mi umožnil spojit několik těchto integrovaných modulů a poté aplikovat koncovou krytku k utěsnění všeho před finálním navíjením AFP.“
„Snažíme se takový koncept dokončit,“ pokračoval, „a také začínáme testovat výběr materiálů, což je velmi důležité pro zajištění potřebné odolnosti vůči pronikání plynu H2. K tomu používáme hlavně termoplastické materiály a pracujeme na různých způsobech, jak materiál ovlivní toto chování při pronikání a zpracování v AFP stroji. Je důležité pochopit, zda bude mít úprava nějaký vliv a zda je nutné nějaké následné zpracování. Chceme také vědět, zda různé vrstvy ovlivní pronikání vodíku tlakovou nádobou.“
Nádrž bude kompletně vyrobena z termoplastu a pásky dodá společnost Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Německo). „Budeme používat jejich materiály PPS [polyfenylensulfid], PEEK [polyetherketon] a LM PAEK [nízkotavný polyarylketon],“ uvedl Yager. „Následně se provádějí srovnání, aby se zjistilo, který z nich je nejlepší pro ochranu proti pronikání a výrobu dílů s lepším výkonem.“ Doufá, že testování, strukturální a procesní modelování a první demonstrace dokončí v příštím roce.
Výzkumná práce byla provedena v rámci modulu COMET „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) programu COMET Federálního ministerstva pro změnu klimatu, životní prostředí, energetiku, mobilitu, inovace a technologie a Federálního ministerstva pro digitální technologie a ekonomiku. Autoři děkují zúčastněným partnerům, kterým jsou Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Rakousko), Montanuniversitaet Leoben (Fakulta polymerního inženýrství a vědy, Katedra chemie polymerních materiálů, Katedra materiálových věd a testování polymerů), Univerzita v Tampere (Fakulta technických materiálů), Peak Technology a Faurecia, kteří na této výzkumné práci přispěli. Modul COMET je financován rakouskou vládou a vládou státu Štýrsko.
Předztužené desky pro nosné konstrukce obsahují souvislá vlákna – nejen ze skla, ale také z uhlíku a aramidu.
Existuje mnoho způsobů výroby kompozitních dílů. Volba metody pro konkrétní díl proto bude záviset na materiálu, konstrukci dílu a konečném použití nebo aplikaci. Zde je průvodce výběrem.
Společnosti Shocker Composites a R&M International vyvíjejí dodavatelský řetězec recyklovaných uhlíkových vláken, který zajistí nulové porážky, nižší náklady než u panenských vlákn a nakonec nabídne délky, které se svými strukturálními vlastnostmi přiblíží kontinuálním vláknům.
Čas zveřejnění: 15. března 2023